基于不同粒径生态滤料的处理池设计方案优化研究.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.026 基于不同粒径生态滤料的处理池设计方案优化研究 刘 军 1,2，郝 聪3，朱 文2，张 帆4，马 胜2，迟晨曦4（1.江西省交通投资集团有限责任公司，江西 南昌 330025；2.江西交通咨询有限公司，江西 南昌 330108；3.中广通（北京）生态环境技术有限公司，北京 100088；4.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）摘要：本研究以探索适合生态滤料新材料的处理池设计方案为目标，通过分析目前常用处理池方案的优缺点，并结合生态滤料新材料的特性和实验室数据进行设计方案研究，最终形成一套包含桥位选择、池容设计、池体工艺研究、池体结构设计等方面的生态滤料新材料处理池系统性设计方案，帮助实现祁婺高速长滩大桥桥面初期径流处理设计落地，也为其他项目提供有益借鉴。关键词：环境工程；设计方案；归纳与演绎法；生态滤料处理 中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0110-05 Research on Design Scheme of Treatment Tank Based on Ecological Filter Media with Different Particle Sizes LIU Jun1,2,HAO Cong3,ZHU Wen2,ZHANG Fan4,MA Sheng2,CHI Chenxi4(1.Jiangxi Communications Investment Group Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330025,China;2.Jiangxi Transportation Consulting Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330108,China;3.Zhongguangtong(Beijing)Eco-Environment Technology Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;4.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China)Abstract:The purpose of this study is to explore the design scheme of the treatment tank which is suitable for the new material of ecological filter material,combined with the characteristics of new eco-filter materials and laboratory data.Finally,a set of systematic design scheme of the new material treatment tank was formed,which included the selection of the bridge position,the design of the tank capacity,the study of the tank technology and the design of the tank structure,it helps to realize the design of the initial runoff treatment of the bridge deck of Changtan Bridge of Qi-Wu Expressway,and also provides useful reference for other projects Key words:environmental engineering;design scheme research;induction and deductive reasoning;ecological filter material treatment tank 0 引言 随着国家环保政策的不断出台，各地环境监管和治理力度也在不断提升，从大气污染到水污染，从固体废弃物到噪声污染，各种环境问题都得到了越来越多的关注和治理。目前，国内针对高速桥面初期径流多在桥梁两侧 收稿日期：2023-05-08 作者简介：刘军（1974-），男，江西南昌人，高级工程师，从事工程管理工作.（）设置一定体积的混凝土池作为收集池1，少数项目会设置人工湿地、生态种植槽或者简易的浆砌片石蒸发池等。其中混凝土收集池和浆砌片石蒸发池主要依靠沉淀作用去除初期径流中的污染物，其对淤泥、颗粒、悬浮物的去除效果明显，但对 BOD、COD、重金属等的处理效果一般，总体来说出水水质难以保证，尤其是在水源保护地路段，这种矛盾尤为突出；人工湿地第 4 期 刘军等，基于不同粒径生态滤料的处理池设计方案优化研究 111 和生态种植槽主要依靠土壤阻滞和植物的吸附作用去除污染物，去除效果较混凝土收集池会有一定提升，但因为其自身的特点也难以被广泛使用。随着环保要求的不断提升，行业内越来越多的人开始考虑出水水质对水源地等环境敏感点的影响，但最简单、最常用的做法是加长尾水管道，将尾水引离敏感点，这种做法具有一定的局限性，也需要从其他方面来解决这一矛盾。为了提高对初期径流中污染物的处理效果，祁婺项目采用生态滤料材料，该材料需要与初期径流进行充分接触才能更好地发挥处理效果，且不能被危化品液侵蚀，结合这些特点设计一种提高接触效果的池体形式成为本次设计方案优化研究的关键。1 现有处理池方案概况 1.1 现有处理池方案概述 目前桥面雨水径流污染控制措施主要有植被控制、滞留池、氧化塘、人工湿地、渗滤系统等2-7，以这些措施为基础形成了以下 4 种较为常见的处理方案：（1）浆砌片石蒸发池 这是一种较为早期的设计形式，设置一个池子作为沉淀池，并兼做事故池，池体多由浆砌片石组成，为地下或半地下结构，有一个进水管，一般不设出水管。池体在雨天用来收集初期径流，通过物理沉淀实现对初期径流中 SS 和 COD 等污染物的净化，沉淀后池中的雨水则自然蒸发；在发生危化品泄漏时，危化品液沿收集管线排入池中储存，由专业单位人员外运处理。该类池体的优点是施工方便、造价低、后期维护简单；缺点是处理效果较差，水体依赖蒸发，很容易导致雨后较长时间内沉淀池被前场降雨的桥面初期径流占据，没有随时准备接收事故径流的空间，容易丧失应急功能8。（2）三级沉淀池 三级沉淀池由调节池、处理池、清水池三个池体组成，是目前最常用的池体形式。池体一般为钢筋混凝土结构，按照进水消能格栅导流沉淀出水排放的工艺设计，处理效果较好。该技术的优点是使用广泛、技术成熟、造价适中、耐久性好，缺点是对溶解于水中的 BOD、COD、重金属等处理效果一般。（3）调节池+人工湿地 调节池+人工湿地是一种常见的生态工程技术组合，调节池通常是一个较大的混合池，可实现对初期径流中颗粒、泥沙等物质的初期沉淀，并均衡前后初期径流中的污染物质；人工湿地是一种模拟自然湿地的人工构建湿地系统，通常由多个不同的层次组成，包括表层植物带、根层和底泥层，每层都具有不同的功能，如吸附、分解、沉淀等，人工湿地利用湿地植被和微生物等生物群落进一步降解和吸附初期径流中的有机物、氮、磷等营养物和微量污染物。调节池+人工湿地技术处理过程相对缓慢，需要一定时间才能达到较好的处理效果。但与传统的化学处理方法相比，生态工程技术具有成本低、维护方便、效果稳定等优点，同时还能够起到修复和保护生态环境的作用。（4）生态边沟和生态种植槽 生态种植槽从上到下依次由表面绿化植物、种植土壤、配置填料和蓄水块石层构成，自然降雨和桥面汇集的初期径流进入种植槽内，经过植被控制、植物根系吸收、土壤吸附、填料过滤和微生物降解对初期径流进行净化。该技术的填料易钝化，因此填料层需定期更换，导致后期运维难度大、成本高，因此很容易被弃置，大大降低使用寿命，且植物吸收效率不可控。1.2 与生态滤料组合的符合性分析 结合以上技术的优缺点，初步探究 4 种技术与生态滤料组合的可行性，分析如下：（1）与浆砌片石滞留池组合：该组合需将载体材料均匀平铺于处理池中，初期径流慢慢流入池中与载体材料接触，由于水池面积大，前面比较脏的初期径流将主要靠近进水管的区域，后面较干净的初期径流会往四周流淌，当初期径流较多漫过载体材料时，由于池体水处于静置状态，上部的水体难以很好地接触载体材料，因此处理效果不佳。（2）与三级沉淀池组合：该组合需将载体材料均匀平铺于中间的处理池中，初期径流先缓慢流入第一级池体空间，待水位达到一定高度后翻隔墙进入中间的处理池，载体材料开始处理径流中的污染物，待静置 23 天后从排空管排出尾水。该组合相比于浆砌片石滞留池组合，前面比较脏的初期径流可以在第一级池体空间适当混合，缓解前后初期径流污染程度差异大的情况，另外隔墙可以代替点状的进水管形成一条布水线，也能将初期径流较为均匀地分布到中间的处理池中，但不能解决径流漫过载体材料时，上部水体难以很好接触载体材料导致处理效果不佳的问题。（3）与调节池+人工湿地组合：该组合需将原结112 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 构中的底泥层替换为生态滤料，这样生态滤料被埋入土中，将大大降低其与污水中各类污染物的接触，不能很好地发挥生态滤料的作用。（4）与生态边沟和生态种植槽组合：该组合需将原结构中的填料层替换为生态滤料，其缺点与调节池+人工湿地组合类似，不能很好地发挥生态滤料的作用。综合以上分析，相比其他组合，与三级沉淀池组合能最好地实现载体材料与初期径流的充分接触问题，可在此基础上进行改进提升。2 项目概况 祁婺高速项目起于赣皖界，在县界处以沱川隧道与安徽段连接，途经沱川乡、清华镇、思口镇、紫阳镇、婺源县工业园区，终点接婺源枢纽互通，全线按双向四车道标准，设计速度 100km/h，总长度约 40.747公里，沿途设置 4 处互通、1 处服务区、2 处收费站。项目沿线有 6 座主线桥跨越凤山水、清华水两个类水体，主线 K25+510 龙腾大桥跨清华水处位于乐安河思口镇金竹取水口上游 4.2km，主线K23+884长滩大桥跨清华水处位于乐安河思口镇金竹取水口上游 6.2km 处，如表 1 所示。表 1 祁婺高速跨类水体主线桥概况 Tab.1 Overview of main line bridge across Class water body in Qi-Wu Expressway 序号 桥梁名称 收集长度/m 与类水体位置关系 与水源地 位置关系 与养护站 位置关系 1 凤山水特大桥 240 跨越凤山水 不涉及 约 3km 2 南山路特大桥 180 跨越凤山水 不涉及 约 1.5m 3 花园大桥 300 跨越凤山水 不涉及 约 5km 4 长滩大桥 280 跨越清华水 取水口上游6.2km 处 约 1km 5 龙腾大桥 380 跨越清华水 取水口上游4.2km 处 约 1km 6 成美大桥 160 跨越清华水 不涉及 约 3km 3 生态滤料处理池设计方案研究 3.1 生态滤料特性概述 祁婺项目针对近水源地路段大桥的桥面径流处理研发了一种新型材料多元复合催化生物载体（以下简称载体材料），该材料由碳基铁（钴钛）合金、碳基铁（锶锆）合金、碳基铁（铜钡）合金、碳基铁（铈铌）合金等多种催化载体构成，多种基质材料组合后，通过络合、混凝、氧化还原作用实现对初期径流的净化处理。载体材料具有出水水质好、使用寿命长、温度适用范围广、运维简单等优点，但材料造价高，净化初期径流需要一定的水力停留时间，且不耐污染腐蚀，因此在实际应用中需尽量减少用量、最大化发挥处理效果，且保证不被危化品液污染。3.2 生态滤料处理池设计总体方向 根据现有处理池方案与生态滤料组合的符合性分析，生态滤料的处理池设计可以三级沉淀池为基础，结合生态滤料的处理机理进行设计改进后使用，改进设计要注意实现以下目标：（1）实现对各种超标污染物的处理；（2）提高材料使用效率；（3）合理减少材料用量；（4）合理减少后期养护服务。3.3 桥位选择 结合生态滤料出水效果好、造价高的特性，选择跨越水体敏感性强、桥跨相对短的桥梁，以最大化发挥生态滤料的优势，并尽量减少工程造价，在此基础上优先选择靠近养护工区的桥位，以增加养护便利性。结合以上要求分析，长滩大桥和龙腾大桥在水源敏感性、收集长度、与养护站的位置关系方面相当，但长滩大桥在收集长度方面更具优势，可有效降低生态滤料用量，进而减少工程造价，因此选择长滩大桥作为施工点位。3.4 池容设计 根据环评要求，长滩大桥点位的桥面初期径流不得直排进入下方清华水，因此需收集 280m 长度、26m宽度桥面范围内前 30min9最大暴雨强度的径流。根据 公路排水设计规范 （JTG/T D332012）10规定：（1）设计径流量计算公式如下：=16.67p,t(1)式中，为设计径流量，m3/s；p,t为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，mm/min；为径流系数，根据规范，沥青混凝土径流系数为 0.95；为汇水面积，本桥汇水面积为 0.007 28km2。（2）设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度计算公式如下：=1818(1+0.47log)(+5)0.71(2)式中，为最大暴雨强度，L/S.ha；p,t为特定取值下的最大暴雨强度；为设计重现期，本项目取 5 年；为坡面汇流时间与管内流行时间之和，本桥路线短，第 4 期 刘军等，基于不同粒径生态滤料的处理池设计方案优化研究 113 按 30min 计。p,t=193.53(L/S.ha)=1.16(mm/min)根据公式（1）、（2），=0.134(m3/s)=240(m3/30min)由此，长滩大桥桥面初期径流收集目标水量为240m3，长滩大桥纵坡为人字坡形，桥面排水沿纵坡从中间向两端汇集，两端池体目标水量分别为 120m3，即单个池体有效容积不小于 120m3。本生态滤料处理技术需在池体中投入一定数量的生态滤料，根据实验室测算，120m3的初期径流需72m3的生态滤料，因生态滤料为多孔材料，去除孔隙后的体积约为 13m3，据此在两端池体分别设置池容为150m3的生态滤料处理池。3.5 处理池工艺研究（1）调蓄池+处理池的组合设计研究 如图 1 所示，为了减少生态滤料的用量，项目考虑两种对比方案：方案一为所有初期径流一次处理，即设置一个 150m3的生态滤料处理池，初期径流一次性全部进入后直接进行处理；方案二为初期径流分多次处理（本方案按 3 次考虑），即设置一个 50m3的处理池，附加一个 100m3的调节池，120m3初期径流分3 次处理，生态滤料的用量也仅为方案一的 1/3。图 1 两种方案初期径流处理简图 Fig.1 Schematic diagram of initial runoff treatment for two schemes 生态滤料需要一定的水力停留时间才能将初期径流处理到达标水质，根据实验室测定，水力停留时间一般为 23 天，即方案一在本次初期径流收集23 天后才能进行下次收集，方案二在本次初期径流收集 69 天后才能进行下次收集。结合婺源地区多雨的情况，方案一在实用性上更加符合当地的实际情况。综上，调蓄池+处理池的组合设计适合降雨间隔时间长的地区，且在大体量的跨敏感水体桥梁中更能体现出其经济性优势。按照满足功能前提下适当降低造价的原则，长滩大桥选择方案一。（2）处理池处理工艺研究 如图 2 所示，结合材料性能，处理池处理工艺考虑 4 种方案：单池、多池串联、多池并联、串并结合。其中：单池方案，该方案优点是形式简单，缺点是如果污水分布不均匀会影响处理效果；多池并联，该方案相当于把初期径流等分后分别处理，各池体间互不连通，可有效疏导径流前行，处理效果和单池方案相似；多池串联方案，该方案可让初期径流和生态滤料反复接触、反复处理，大大提高处理效果；串并结合，分前后 5 组池体，每组池体分左右两侧，左右侧池体在水位达到一定高度后可以互相连通，实现串联为主、并联为辅的池体建设形式，可结合串联和并联的优点，并弱化并联的缺点。综上，长滩大桥初期径流采用串并结合处理方案。图 2 处理工艺方案示意图 Fig.2 Schematic diagram of treatment process plan 3.6 池体结构设计（1）池体主体结构设计 结合以上研究内容，形成生态滤料处理池的初步设计方向建设串并结合的多级池体，让生态滤料能够与初期径流反复接触。为了保证处理效果，本池体结构采用 5 次反复接触，即设置五级处理池，处理池间设置挡水墙，初期径流到一定高度后才能翻墙进入下一级处理池，以此实现池中水体与生态滤料的充分接触，如图 3 所示。为了解决上层径流因难以接触池底滤料导致处理不均匀的问题，设置混凝土支墩将滤料层做架空处理，实现生态滤料对全部水体的最大化近距离接触处理，提高滤料利用效率，如图 4 所示。图 3 池体结构立面示意图 Fig.3 Vertical schematic diagram of pool structure 114 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 图 4 池体结构设计简图 Fig.4 Schematic design of pool structure （2）初期径流与后期径流导流设计 待初期径流全部进入池体后，需将后期径流直接导流到池体末端尾水池，在方案中设置 10cm 高平流层，尾水可直接向后汇流，实现初期径流与后续径流的分离，如图 5 所示。（3）运营期无人值守设计 三级沉淀池一般需设置排水管，待初期径流静置一段时间后，由人工到现场放空池内雨水，然后承接后续降雨的初期径流，如此将大大增加养护人员的工作难度。本池体设计方案考虑设置缓流孔，初期径流在一定时间内可缓缓外流，实现池体放空，减少养护难度，如图 5 所示。图 5 平流层和缓流孔位置图（米）Fig.5 Image of Stratospheric Position-Location of Slow Flow Orifices(m)3.7 初期径流与危化品液导流设计 因高性能径流处理生态滤料材料遇危化品后就会失效，将造成较大的经济损失，因此需在前端单独设置一个应急存储池，应急存储池主要实现对泄漏危险品及其稀释液的存储11。应急存储池与生态滤料处理池以三通阀连通，保证一旦出现危化品泄漏，可将事故液导入应急存储池，不会进入生态滤料处理池。根据环评中应急存储池不得小于 60m3的要求，本课题在两侧桥头分别设置一个 100m3的应急存储池体。3.8 安全防护设计 为了防止儿童因好奇心重偷偷进入池体周围，设计方案考虑两道防护设施，第一道为在池体周围设置围栏，第二道为在池身罩一层铁丝网，充分保障周边居民的人身安全。4 结论 结合以上研究内容，生态滤料与混凝土沉淀池组合可以更好地发挥新材料的处理优势，且混凝土沉淀池最好设计成下穿上翻的多级池体结构，以提升接触效果；由于生态滤料有 23 天的水力停留时间，到时间后需排空池体，为了减少管养难度，优先设置远程电控阀门；此外，生态滤料一旦接触危化品液将失效，因此设置单独的危化品池十分重要。参考文献：1 杨文娟,陈莹,吴沛,等.敏感水体公路桥梁桥面径流排水系统设计方法J.长安大学学报(自然科学版),2020,40(4):60-67.2 陈莹,赵剑强.跨越敏感水域桥梁应急排水系统设计计算方法J.长安大学学报(自然科学版),2008(5):81-85.3 朱辰,胡婕,殷承启.海启高速跨敏感水域径流收集处理研究J.资源节约与环保,2020,16(4):121-122.4 CHUI T W,MAR B W,HORNER R R.Pollutant loading model for highway runoff J.Journal of Environmental Engineering Division,1982,108(6):1193-1210.5 Deletic AB.,Maksimovic CT.Evaluation of water quality factors in storm runoff from paved areasJ.Journal of Environmental Engineering,1998,124(9):869-879.6 赵剑强,邱艳华.公路路面径流水污染与控制技术探讨J.长安大学学报:建筑与环境科学版,2004,21(3):50-53.7 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